結(jié)構(gòu)調(diào)制的多功能二氧化鈦納米管及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用.pdf

1、二氧化鈦納米材料是當(dāng)今使用最普遍的一種半導(dǎo)體材料，由于納米結(jié)構(gòu)具有多樣性，在很多的應(yīng)用方面都發(fā)揮著重要作用。尤其是在當(dāng)今社會(huì)，能源短缺日益加劇，環(huán)境保護(hù)又刻不容緩，有關(guān)擁有清潔、可再生優(yōu)勢(shì)的太陽(yáng)能電池的研究備受關(guān)注。染料敏化太陽(yáng)能電池（dye-sensitised solar cells，DSSCs）在諸多種類中相對(duì)來說，成本低廉，制備又不復(fù)雜，隨著第三代太陽(yáng)能電池發(fā)展至今，已經(jīng)取得了豐富的研究成果。光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)一向是染料敏化電池中重要的

2、組成部分，而TiO2是這一部分選材的首選，所以其一直受到人們的關(guān)注，也在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新。
　　TiO2納米材料在DSSCs中，主要作為吸附染料敏化分子的載體，進(jìn)而將光生電子傳輸給外電路。由于納米管等一維納米結(jié)構(gòu)相比于納米顆粒結(jié)構(gòu)在電子傳輸?shù)刃阅芊矫嬗兄浅Ｃ黠@的優(yōu)勢(shì)，所以作為研究最廣泛的光陽(yáng)極材料，這種一維結(jié)構(gòu)因其優(yōu)秀的特性而備受關(guān)注。有關(guān) DSSCs中光陽(yáng)極的科研工作，主要是探討以下幾方面：（1）、制備具有更大比表面積的光陽(yáng)極

3、結(jié)構(gòu)、（2）、提升電子在半導(dǎo)體材料中的傳輸效率以及（3）、提高染料對(duì)光的捕獲等幾個(gè)重點(diǎn)研究方向。本論文的主要工作是圍繞TiO2納米管(NT)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制，在獲得高性能的染料敏化電池的同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)NT的多功能性。詳細(xì)的研究?jī)?nèi)容主要如下：
　　1) NT在染料吸附量上相比于納米顆粒有很大的缺陷，針對(duì)這一缺點(diǎn)，我們希望制備出具有大比表面積的更小管徑的管子，利用水浴法升高陽(yáng)極氧化反應(yīng)的溫度，可以獲得管長(zhǎng)長(zhǎng)度達(dá)16μm、管徑75 n

4、m的高比表面積的納米管薄膜。大長(zhǎng)徑比的二氧化鈦納米管薄膜的成功制備，為其在DSSCs的光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中的工作狀態(tài)增加了很多優(yōu)勢(shì)，由于染料吸附量的顯明升高，無論是電池的效率，還有電池性能，都有了大幅度的改善和提高。
　　2)小管徑納米管薄膜由于其晶粒較小，更易受到基底效應(yīng)的影響而在正常退火溫度下產(chǎn)生金紅石結(jié)晶態(tài)，這對(duì) DSSCs各方面的性能表現(xiàn)都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用。所以為制備出具有純銳鈦礦晶型的小管徑的管子，采用了低溫退火后自剝離的方法。利

5、用這種方法不僅可以保持納米管薄膜的形貌不受破壞，同時(shí)還不引入基底效應(yīng)的影響進(jìn)而避免了金紅石晶型的產(chǎn)生。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，小管徑 TiO2納米管，如果其為純銳鈦礦晶型，那么相比于含有金紅石晶型的，在電池的效率及電子傳輸性能方面都更為優(yōu)秀。
　　3)為提高染料敏化電池的效率，合理的利用光散射層可以起到十分有利和顯著的作用。利用大電壓制備的接近可見光波長(zhǎng)的大管徑納米管陣列作為光散射層，其散射作用相比于普通管徑的納米管陣列，有著明顯

6、的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?。在SEM分析了大管徑納米管薄膜的形貌后，將其作為光散射層，添加在DSSCs的光陽(yáng)極上表面上，與無散射層、普通納米管做散射層等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能上的比較和分析，通過模擬和實(shí)驗(yàn)等多種角度證明了對(duì)于二氧化鈦納米管薄膜擁有這樣的大管徑確實(shí)具有非常優(yōu)秀的散射作用。
　　4)基于前期的實(shí)驗(yàn)工作，結(jié)合大管徑的散射優(yōu)勢(shì)，合成出雙層TiO2納米管薄膜，其上下兩層的管徑、管長(zhǎng)均不同。利用其高溫退火后的薄膜與納米顆粒層的疊加組合，構(gòu)成多層